Método de síntesis \"Sol-Gel\" PDF

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En este trabajo se abarcan diferentes puntos, tales como: descripción general del proceso, procedimiento, aplicaciones, etc....

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UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO “ESTUDIO EN LA DUDA, ACCIÓN EN LA FÉ” DIVISIÓN ACADÉMICA MULTIDISCIPLINARIA DE JALPA DE MÉNDEZ.

Materia: Síntesis de nanoestructuras y laboratorio. Actividad: Método de síntesis “Sol-Gel”. Docente: Dr. Jorge Alberto Galaviz Pérez. Alumno: Mario Alberto Ramírez Cruz. Carrera: Ingeniería en nanotecnología. Matrícula: 182S4001

Quinto semestre.

Segundo parcial. Ciclo: Agosto 2020 - Enero 2021 Fecha de entrega: 28 – Noviembre – 2020

Método Sol-Gel. El proceso sol gel es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla. Se pueden obtener nuevos materiales que por los métodos tradicionales de fabricación son muy difíciles de obtener, tales como combinaciones de óxidos (SiO2,TiO2, ZrO2, etc.), además de poder contaminarlos con iones de tierras raras o colorantes orgánicos. Las estructuras únicas, micro estructuras y compuestos que pueden hacerse con el proceso sol-gel abren muchas posibilidades para aplicaciones prácticas, por nombrar algunas tenemos la fabricación de componentes ópticos, preformas para fibras ópticas, recubrimientos dieléctricos, superconductores, guías de onda, nanopartículas, celdas solares, etc. Es un método de producción de materiales sólidos a partir de moléculas pequeñas. Este método es usado para la fabricación de óxidos metálicos, especialmente de silicio y titanio. El proceso implica la conversión de monómeros en una solución coloidal (sol) que actúa como precursor de una red integrada (o gel) de partículas discretas o polímeros reticulados. Los precursores típicos son alcóxidos. Este método demostró ser bastante versátil como resultado de intensas y extensas investigaciones fundamentales durante las últimas cuatro décadas, ya que gracias a él, se pueden producir mejores materiales y con un costo mucho menor. El tipo de materiales procesados por este método abarca materiales metálicos, inorgánicos, orgánicos e híbridos. El uso de los materiales cubiertos por este método abarca desde materiales muy avanzados hasta materiales de uso general. Las áreas de tecnología cubiertas por este método incluyen fotónica, electrónica, mecánica, biología y medicina. Estos indican que el método sol-gel se puede aplicar al procesamiento de muchos tipos de materiales. La importancia de este método consiste en los siguientes puntos: 

Mejora del procesamiento y propiedades de los materiales convencionales.



Creación de nuevos materiales valiosos.

Un método típico de sol-gel para fabricar materiales comienza con una solución que consta de compuestos metálicos, como alcóxidos metálicos y acetilacetonatos como fuente de óxidos, agua como agente de hidrólisis, alcohol como disolvente y catalizador ácido o básico. Los compuestos metálicos experimentan hidrólisis y policondensación a temperatura cercana a la ambiente, dando lugar a un sol, en el que se dispersan polímeros o partículas finas. La reacción adicional conecta las partículas, solidificando el sol en un gel húmedo, que aún contiene agua y solventes. La vaporización de agua y solventes produce un gel seco, uno de los productos finales. El calentamiento de geles a varios cientos de grados y temperaturas más altas produce materiales de óxido densos como productos finales.

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Se pueden fabricar masas a granel vertiendo el sol gelificante en un molde. Pueden extraerse fibras del sol viscoso, si se usa el sol de composición apropiada. Las películas de revestimiento se pueden fabricar mediante revestimiento por inmersión o revestimiento por rotación del sol. Se pueden fabricar películas sin soporte sintetizando la película en la interfaz entre la solución de alcóxido y el agua. Las membranas se preparan vertiendo el sol sobre el óxido poroso con poros gruesos. Las partículas con una distribución de tamaño marcada se pueden precipitar y hacer crecer en el sol. Por otro lado, cuando se añaden compuestos orgánicos, como alquilalcoxisilanos, metacrilatos de metilo, polidimetilsiloxanos o colorantes orgánicos, a las soluciones de partida, se forman híbridos orgánico-inorgánicos. Estos híbridos son posibles debido a la naturaleza de baja temperatura del método sol-gel. El tratamiento térmico de los híbridos orgánico-inorgánicos debe limitarse a temperaturas inferiores a aproximadamente 200 °C.

Figura 1. Pasos del procesamiento sol-gel de materiales y ejemplos de la microestructura de los productos finales. Los rectángulos con líneas en negrita muestran los posibles productos finales del método sol-gel.

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Cabe señalar que los híbridos orgánicos-inorgánicos constituyen una de las áreas de materiales más importantes en el método sol-gel. Hay dos tipos de híbridos orgánicos-inorgánicos. Uno es un material en el que se distribuyen especies orgánicas e inorgánicas enlazadas entre sí y el otro es una matriz inorgánica o híbrida con moléculas orgánicas y pigmentos dispersos. Con las ventajas y características mencionadas anteriormente, el método sol-gel se ha aplicado al procesamiento de una gran variedad de materiales. Los materiales producidos por esta vía se clasifican dependiendo de su función, y estas son:       I.

Funciones ópticas y fotónicas. Funciones electrónicas. Funciones térmicas. Funciones mecánicas. Funciones químicas. Funciones bioquímicas y biomédicas. Síntesis de nanocompuestos por este método:

La síntesis de nanocompuestos tiene éxito si se consigue una dispersión homogénea de partículas de tamaño nanométrico, que constituyen la fase dispersa, en la matriz, evitando fenómenos de agregación y crecimiento de partículas. Esto no es nada sencillo. Los fenómenos de agregación están impulsados por la tendencia del sistema a reducir la energía de la interfaz, que es muy alta en el caso de las nanopartículas. Cuando el nanocompuesto se obtiene de un solo lote en el que se dispersan nanopartículas en el sol que originará la matriz, las dispersiones se pueden estabilizar electroquímicamente (enfoque termodinámico) aumentando el espesor de la doble capa eléctrica o bien, mediante estabilización estérica (enfoque cinético) decorando la superficie con tensioactivos. Sin embargo, la agregación también puede ocurrir en el nanocompuesto ya sintetizado. La estabilidad de la nanoestructura con el tiempo y la temperatura depende de la tendencia y posibilidad de que las nanopartículas se agreguen. Existen dos estrategias diferentes para intentar solucionar este problema: modificar la superficie de las nanopartículas para reducir la energía de la interfaz o reducir la movilidad de las partículas, por ejemplo, uniéndolas a la matriz con enlaces covalentes. La interfaz entre la matriz y la fase dispersa es importante no solo para evitar o limitar la agregación y el crecimiento, sino también para controlar las propiedades del material nanocompuesto. Las nanopartículas se pueden funcionalizar usando ligandos monofuncionales o bifuncionales. En el primer caso, el efecto se limita a la modificación de la superficie de la nanopartícula, dejando el control de las reacciones de interfaz a interacciones débiles con la matriz. Los ligandos bifuncionales son, en cambio, la forma de conseguir una fuerte interacción con la matriz. La naturaleza del ligando determina el tipo de interacción y el efecto sobre propiedades específicas. 4

Hay tres enfoques generales principales utilizados para modificar la superficie de las nanopartículas:  Tratamiento químico: Es aquel en que la superficie de las nanopartículas se modifica utilizando restos, distintos de los nativos. Como ejemplo, tanto los óxidos como los metales, cuya superficie está normalmente oxidada, exhiben grupos hidroxilo que pueden reaccionar con alcoxisilanos, epóxidos e isocianatos de alquilo o arilo.  Injerto de polímeros: Hay dos estrategias diferentes, “injertar a” e “injertar desde”, representadas esquemáticamente en la Fig. 2. El método de "injerto a" se basa en unir macromoléculas sobre la superficie de la nanopartícula utilizando la afinidad del grupo terminal del polímero por las funcionalidades presentes en las partículas. El método de "injerto desde" se basa, en cambio, en el crecimiento de las cadenas de polímero a partir de iniciadores presentes o generados en la superficie de la partícula. Este segundo enfoque permite obtener, en general, una mayor densidad de moléculas injertadas.  Intercambio de ligandos: Es una reacción muy importante para preparar nanopartículas inorgánicas funcionalizadas. Se basa en la sustitución de ligandos presentes en la superficie de la partícula (ligandos salientes) por ligandos presentes en el entorno circundante (ligandos entrantes), que se unen a la superficie más fuertes que los sustituidos (Fig. 3).

Figura 2. Representación esquemática de los métodos "injertar a" e "injertar desde" para la decoración de partículas con polímeros.

Figura 3. Representación esquemática del método de intercambio de ligandos. 5

Los nanocompuestos de sol-gel también se pueden obtener siguiendo estrategias "in situ" o "ex situ":  Métodos in situ: Se basan en la preparación de un lote que contiene los precursores de la matriz y la fase dispersa. Las nanopartículas se forman por reacción química contemporánea al desarrollo de la red o por separación de fases inducida térmicamente en la matriz ya generada (inorgánica o híbrida orgánico-inorgánica). Una ventaja es el número reducido de pasos en la preparación.  Métodos ex situ: Se basan en la separación de los procedimientos para obtener la matriz y las fases dispersas, y los sistemas se mezclan en un segundo paso. La separación permite obtener un control mucho más fino de la microestructura final evitando en la medida de lo posible interacciones entre diferentes procesos químicos. Los enfoques “in situ” para la síntesis de nanocompuestos de matriz sol-gel aprovechan la potencialidad del método sol-gel para incluir, en un lote líquido, todos los precursores necesarios para el desarrollo de la matriz y la fase dispersa. En general, la matriz se obtiene mediante las reacciones de hidrólisis y condensación habituales, y los precursores de la fase dispersa permanecen dentro de la matriz como sales precipitadas o en estado iónico disperso. El enfoque “ex situ” es mantener los procesos de producción de nanopartículas y de síntesis de la matriz lo más independientes posible, con el fin de reducir las interacciones entre los dos procesos. Claramente, los procesos ex situ pueden ser la combinación de diferentes métodos de síntesis.

Figura 4. Esquema general de la estrategia de síntesis “in situ”. 6

Figura 5. Esquema general de la estrategia de síntesis “ex situ”.

II.

Aplicaciones:  Recubrimientos multifuncionales transparentes: Las técnicas de deposición empleadas son la inmersión (dip-coating) y el pulverizado (spraycoating), pudiendo recubrir superficies con cualquier geometría de dimensiones desde 1cm hasta 1m. De este modo, posee una amplia capacidad de recubrir substratos vítreos, metálicos, poliméricos e incluso sobre materiales pulvurulentos. Entre las funcionalidades desarrolladas, se pueden encontrar los recubrimientos superhidrófobos, superhidrófilos, antirreflejantes, anti-rayado, antibacterial, fotocatalíticos, etc.  Encapsulación inorgánica: Se emplea esta tecnología mediante compuestos activos como, por ejemplo, los materiales cambio de fase (PCM), que son muy utilizados en aplicaciones energéticas en construcción (confort térmico). Estas cápsulas se caracterizan principalmente por sus buenas propiedades mecánicas y durabilidad de las mismas en comparación con las cápsulas orgánicas.

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Referencias. 

Colaboradores de Wikipedia. (2020, 1 mayo). Sol-gel. Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/wiki/Sol-gel

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Hielscher Ultrasound Technology. (2019, 3 mayo). Sonochemical Effects on Sol-Gel Processes - Hielscher Ultrasound Technology. Tecnología de ultrasonido de Hielscher. https://www.hielscher.com/es/sonochemicaleffects-on-sol-gel-processes.htm

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Sakka, S. (2004). Handbook of Sol-Gel Science and Technology: Processing, Characterization and Applications, V. I - Sol-Gel Processing/Hiromitsu Kozuka, Editor, V. II - ... of Sol-Gel Technology/Sumio Sakka, Editor (2005 ed.). Springer.

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Sol-gel. (s. f.). SMF. Recuperado 27 de noviembre de 2020, de https://www.smf.mx/boletin/2006/Bol-20-1/Articulos/sol-gel.htm

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Tecnología Sol-Gel. (s. f.). TEKNIKER. Recuperado 27 de noviembre de 2020, de https://www.tekniker.es/es/tecnologia-sol-gel

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